(57)【要約】  本開示は、高マンガン鋼ベースメタルを低炭素鋼ベースメタルに接合するための溶接組成物、ならびにそのためのシステムおよび方法に関する。この組成物は、約０．１重量％〜約０．４重量％の範囲の炭素；約１５重量％〜約２５重量％の範囲のマンガン；約２．０重量％〜約８．０重量％の範囲のクロム；約２．０重量％以下の量のモリブデン；約１０重量％以下の量のニッケル；約０．７重量％以下の量のケイ素；約１００ｐｐｍ以下の量の硫黄；約２００ｐｐｍ以下の量のリン；および鉄を含む残余を含む。一実施形態において、この組成物は、オーステナイト微細構造を有する。
2019519675.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高マンガン鋼ベースメタルを低炭素鋼ベースメタルに接合するための溶接組成物であり、
前記組成物が、
０．１重量％〜０．４重量％の範囲の炭素、
１５重量％〜２５重量％の範囲のマンガン、
２．０重量％〜８．０重量％の範囲のクロム、
２．０重量％以下の量のモリブデン、
１０重量％以下の量のニッケル、
０．７重量％以下の量のケイ素、
１００ｐｐｍ以下の量の硫黄、
２００ｐｐｍ以下の量のリン、および
鉄を含む残余
を含み、溶接物が、オーステナイト微細構造を含む、組成物。
【請求項２】
０．７重量％以下の量のチタンをさらに含む、請求項１に記載の組成物。
【請求項３】
炭素は、０．１〜０．３重量％であるか、
マンガンは、１８．０〜２２．０重量％であるか、
クロムは、３．５〜６．５重量％であるか、
モリブデンは、１．５重量％未満の量であるか、
ニッケルは、５．５〜８．５重量％であるか、
ケイ素は、０．４〜０．８重量％であるか、
硫黄は、１５０ｐｐｍ未満の量であるか、
好ましい範囲である０．１５〜０．４５重量％のチタン、または
それらの組合せ
の少なくとも１つである、請求項１または２に記載の金属の組成物。
【請求項４】
前記オーステナイト微細構造が、硬質α’−マルテンサイトに変態し、歪みを加えると微細双晶化を起こす、請求項１〜３のいずれか１項に記載の組成物。
【請求項５】
高マンガン鋼および低炭素鋼を接合するための溶接を提供するためのシステムであり、
前記システムが、消耗品ワイヤ電極と、ガスメタルアーク溶接を行うガスメタルアーク溶接電源とを含み、
前記消耗品ワイヤ電極が、
０．１重量％〜０．４重量％の範囲の炭素、
１５重量％〜２５重量％の範囲のマンガン、
２．０重量％〜８．０重量％の範囲のクロム、
２．０重量％以下の量のモリブデン、
１０重量％以下の量のニッケル、
０．７重量％以下の量のケイ素、
２００ｐｐｍ以下の量の硫黄、
２００ｐｐｍ以下の量のリン、および
鉄を含む残余
を含む溶接物を生成し、
前記ガスメタルアーク溶接電源が、２．５ｋＪ／ｍｍ以下の溶接入熱を生成する、
システム。
【請求項６】
前記溶接物が、０．７重量％以下の量のチタンを含む、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記溶接物は、
炭素が、０．１〜０．３重量％であるか、
マンガンが、１８．０〜２２．０重量％であるか、
クロムが、３．５〜６．５重量％であるか、
モリブデンが、１．５重量％未満の量であるか、
ニッケルが、５．５〜８．５重量％であるか、
ケイ素が、０．４〜０．８重量％であるか、
硫黄が、１５０ｐｐｍ未満の量であるか、
好ましい範囲である０．１５〜０．４５重量％のチタン、または
それらの組合せ
の少なくとも１つを含む、請求項５または６に記載のシステム。
【請求項８】
前記溶接入熱が、０．６〜１．０ｋＪ／ｍｍの範囲である、請求項６または７に記載のシステム。
【請求項９】
侵食／腐食耐性高Ｍｎ鋼の溶着物を製造する方法であり、
溶接される高Ｍｎ鋼ベースおよび溶接される低炭素鋼ベース、ならびに溶接用溶加材を提供することと、
前記溶接用溶加材を溶融および冷却して、溶着物を生成することと
を含み、
前記溶接用溶加材が、
０．１重量％〜０．４重量％の範囲の炭素、
１５重量％〜２５重量％の範囲のマンガン、
２．０重量％〜８．０重量％の範囲のクロム、
２．０重量％以下の量のモリブデン、
１０重量％以下の量のニッケル、
０．７重量％以下の量のケイ素、
１００ｐｐｍ以下の量の硫黄、
１００ｐｐｍ以下の量のリン、および
鉄を含む残余
を含む、方法。
【請求項１０】
溶融が、２．５ｋＪ／ｍｍ以下の溶接入熱を前記溶接用溶加材に提供することを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記少なくとも２つの鋼ベースメタルが、溶接される部分を含み、前記部分が、２５°を超える開先を含み、
前記少なくとも２つの金属が、少なくとも１つの高Ｍｎ鋼および少なくとも１つの低炭素鋼を含む、
請求項９または１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記溶着物が、溶接したままの状態で、前記低炭素鋼ベースメタルおよび／または前記高Ｍｎ鋼ベースメタルの降伏強度を超える降伏強度を有する、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記溶着物が、溶接したままの状態で、６０ｋｓｉを超える降伏強度を有するか、
前記溶着物が、溶接したままの状態で、７０ｋｓｉを超える極限引張強さを有するか、または
それらの組合せ、
の少なくとも１つである、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
溶着物が、溶接したままの状態で、−２９℃で２７Ｊを超えるＣＶＮを有するか、
前記ベースメタルの熱影響部が、溶接後、−２９℃で２７Ｊを超えるＣＶＮを有するか、または
それらの組合せ
の少なくとも１つである、請求項９〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記高Ｍｎベースメタルが、侵食／腐食耐性高Ｍｎ鋼である、請求項９〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年５月２日に出願された米国仮特許出願第６２／３３０，４０５号の利益および優先権を主張するものであり、この仮特許出願の開示内容は、全体が参照により本明細書に援用される。
【０００２】
（分野）
本開示は、溶接金属の分野に関する。より具体的には、本開示は、低炭素鋼部品を、強化された耐摩耗性を有する高マンガン（Ｍｎ）鋼部品に接合するのに必要な溶接金属を製造するための材料および方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
（背景）
採掘作業（オイルサンド鉱業を含む）における配管系は、液体またはスラリー中の硬い岩と砂粒子との混合物を、処理プラントに輸送し、瓦礫を採掘領域または貯蔵領域に循環させるのに使用される。現在のスラリー水力輸送パイプは、典型的に、低炭素の、パイプライングレードの鋼（例えば、ＡＰＩ仕様５Ｌ  Ｘ６５またはＸ７０グレード鋼）から作製される。これらのパイプは、かなりの磨損／侵食摩耗および腐食を受け、これは、壁損失を引き起こし、頻繁な修理および交換につながる。したがって、これらの配管系は、採掘プロジェクトの多大な運転コストの要因であることが多い。改良された侵食／磨耗／腐食耐性を有するパイプ材料を開発する大きな経済的誘因がある。
【０００４】
オイルサンド鉱業においても強化された耐摩耗性鋼に対する必要性がある。このようなオイルサンド鉱床は、１９６０年代から商業的に回収されており、回収率が、近年増加している。ビチューメン鉱石は、一般に、浅部鉱床（例えば、深さ１００ｍ未満）での露天採掘技術によって、またはより深い地下（例えば、約１００ｍまたはそれより深い）に位置する深部鉱床でのその場熱抽出（例えば、蒸気、化学溶剤および／またはそれらの混合物の注入を含む）によって採取されている。
【０００５】
浅部オイルサンドの露天採掘では、多くのタイプの重機およびパイプラインが用いられる。まず、オイルサンドは、典型的に、ショベルを用いて掘削され、採掘物をトラック／車両に移送する。車両は、オイルサンド鉱石を鉱石調製施設に輸送し、そこで、採掘された鉱石は、典型的に、粉砕され、熱水と混合される。次に、オイルサンドスラリーは、典型的に、水力輸送パイプラインを通して、第一次分離槽（ＰＳＣ）にポンプで送られ、そこで、油状ビチューメンが、一般に、砂および水から分離される。ビチューメンが分離された後、残りの砂および水のスラリーが、鉱滓パイプラインを通して、砂を沈殿させるために鉱滓池に輸送される。大量のスラリー混合物の水力輸送は、従来の金属パイプラインなどにおいてかなりの金属損失を引き起こし、短い交換周期およびかなりの運転コストをもたらす。
【０００６】
したがって、オイルサンドの採掘および鉱石の調製プロセスは、多くの装置／作動領域（例えば、ショベルの歯、ホッパー、粉砕機、コンベヤ、振動篩、スラリーポンプ、パイプラインなど）におけるいくつかの応力および／または衝撃による磨耗の課題を含む。例えば、下流のスラリー輸送および抽出プロセスにおいて、装置、パイプライン（例えば、水力輸送パイプライン）、ポンプおよび／またはＰＳＣにおいて直面する課題の一部は、装置／材料の、侵食、侵食／腐食、腐食、応力、磨耗および／または摩滅などを含む。これらの装置／材料の侵食／腐食などの問題は、かなりの修理、交換および／または維持コストにつながるだけでなく、生産性の低下にもつながる。
【０００７】
記載されるように、スラリー水力輸送用の現行の配管構造は、典型的に、低炭素のパイプライングレードの鋼（例えば、ＡＰＩ仕様５Ｌ  Ｘ７０）から作製されている。一般に、スラリー流れ中で高速移動する固体は、パイプのかなりの金属損失（例えば、内側パイプ壁の金属損失）を引き起こし得る。水性曝気スラリー流れはまた、典型的に、腐食環境を生じることによってパイプの侵食の促進を引き起こす。さらに、スラリー中の粒子状物質（重力の影響下）は、とりわけ、パイプの内側の下半分に沿って損傷を引き起こす。例えば、オイルサンド採掘作業において砂および水のスラリーを運ぶ水力輸送および鉱滓パイプラインは、稼働中に厳しい侵食・腐食損傷を受けるが、パイプラインの最下部（例えば、６時の位置）で、典型的に、最も厳しい侵食磨耗を受ける。
【０００８】
パイプラインの耐用寿命を延ばすために、定期的にパイプラインを回転させている採掘作業者もいる。例えば、パイプラインは、時々（例えば、約３０００時間の稼動後）約９０°回転される。約３回の回転の後（例えば、約１２０００時間の稼動後）、パイプラインは、典型的に、完全に取り替えられる。マルテンサイトステンレス鋼、硬化肉盛材料（例えば、ＷＣ系、炭化クロム系）、およびポリマーライニング材料（例えば、ポリウレタン）などの様々な材料が、オイルサンド採掘作業者によって評価され、使用されている。しかしながら、このような材料には、典型的に、比較的低い磨耗／侵食性能（例えば、ポリマーライナー）、高い材料／製造コスト（例えば、ＷＣ系硬質金属、炭化クロム系硬質金属オーバーレイ材料）、または限られた利用可能な厚さ（例えば、二金属多層硬化鋼材料）のいずれかのため、隙間的用途しかない。しかしながら、パイプの侵食などは、依然として深刻な問題であり、より効率的／経済的な操業／解決を可能にする、代替的なパイプ構造および／または材料が求められている。
【０００９】
近年、強化された侵食／磨耗／腐食性能を有する改良された鋼組成物が、採掘作業において運転コストを削減するために開発されている。詳細には、強化された磨耗／侵食／腐食耐性を有する改良された高Ｍｎ鋼は、スラリーパイプを含むオイルサンド採掘用途のために開発されている。首尾よく実施するために、高Ｍｎ鋼スラリーパイプ部分は、高Ｍｎ鋼スラリーパイプラインを作製するために、現場（又はフィールド（field））で接合されなければならない。スラリーパイプラインは、円周突合せ溶接（ｇｉｒｔｈ  ｂｕｔｔ  ｗｅｌｄ）、フランジ、および機械的結合を含むいくつかの異なるタイプの接合方法を用いて建設される。フランジシステムおよび機械的結合システムの多くは、金属環（多くの場合、低炭素鋼）が、パイプ末端においてパイプ部分の外部に接合される必要がある。高Ｍｎ鋼スラリーパイプを、低炭素鋼環およびフランジに接合するのに使用される溶接は、必要な強度および靱性を提供する必要があり、また、「溶接性」または使用しやすさに関する過度の懸念なしに、現場での建設中に適用されるべきである。
【００１０】
現在利用可能な溶接技術は、侵食耐性高Ｍｎ鋼を低炭素鋼部品に接合するのに十分でない。侵食耐性高Ｍｎ鋼の複数の部分を一緒に接合するためにこれまでに開発された高Ｍｎ鋼溶接金属は、概して低炭素鋼と適合しない化学的性質を有する。鋳造ハッドフィールド鋼（鉄道の部品に一般的に使用される）を溶接するのに使用される従来の高Ｍｎ鋼消耗品は、高い侵食／磨耗／腐食用途、例えば、オイルサンド用途のために、最近開発された侵食耐性高Ｍｎ鋼を炭素鋼に接合するのに使用されるのに十分な溶接金属強度を提供しない。硬化肉盛用途に使用される高Ｍｎ鋼溶接消耗品は、これらの異種金属溶接用途に必要な溶接金属靱性レベルを一貫して提供することができない。
【００１１】
特許文献１には、液化天然ガス（ＬＮＧ）用の貯蔵容器などの極低温用途のために開発された高Ｍｎ鋼が記載されている。溶接金属は、非特許文献１に記載されているものなどの極低温高Ｍｎ鋼のために開発された。これらの極低温高Ｍｎ鋼溶接金属は、−２００℃までの極低温で十分な靱性を提供するが、オイルサンド用途で見られる条件などの、高いレベルの侵食、侵食／腐食、腐食、応力、磨耗および／または摩滅を伴う用途において、侵食耐性高Ｍｎ鋼を低炭素鋼部品に接合するのに十分な溶接金属強度を提供しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１３／０１７４９４１号明細書
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Ｊ．Ｋ．Ｃｈｏｉ，ｅｔ  ａｌ，“Ｈｉｇｈ  Ｍａｎｇａｎｅｓｅ  Ａｕｓｔｅｎｉｔｉｃ  Ｓｔｅｅｌ  ｆｏｒ  Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ２２ｎｄ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  ＩＳＯＰＥ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｒｈｏｄｅｓ，Ｇｒｅｅｃｅ  ２０１２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
したがって、溶接性または使用しやすさに関する過度の懸念なしに、高Ｍｎ鋼パイプラインの現場建設中、ならびに侵食耐性高Ｍｎ鋼部品への他の低炭素鋼部品の現場接合中に適用され得る十分な強度および十分な靱性を同時にもたらす、例えば、オイルサンド採掘プロジェクト用の高Ｍｎ鋼スラリーパイプラインを建設するのに使用され得る溶接技術に対する必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
（要旨）
特定の態様において、本明細書の記載は、例えば、低炭素鋼部品（又はローカーボンスチールコンポーネント（low carbon steel components））を、侵食耐性高Ｍｎ鋼部品（例えば、高Ｍｇ鋼スラリーパイプまたは他のソイルサンド部品（又はソイルサンドコンポーネント（soil sands components）））に接合（又はジョイント）するのに十分な強度および靱性（又はタフネス）を達成する溶接金属および使用方法を提供する。本開示は、その用途に好適な溶接微細構造（又はウェルドミクロストラクチャー（weld microstructures））および機械的特性（又はメカニカルプロパティー（mechanical properties））をもたらす、溶接金属化学（又はウェルドメタルケミストリー（weld metal chemistries））、溶接プロセス（又はウェルディングプロセス（welding processes））、および溶接（又はウェルディング（welding））の実施（又はプラクティス（practices））の制御を提供する。
【００１６】
特定の実施形態において、溶接金属（又はウェルドメタル（weld metal））は、
約０．１〜約０．４重量％の炭素、
約１５．０〜約２５．０重量％のマンガン、
約２重量％〜約８重量％のクロム、
約２重量％以下のモリブデン、
約３〜１０．０重量％のニッケル、
約１．０重量％以下のケイ素、
約２００ｐｐｍ以下の硫黄、および
約２００ｐｐｍ以下のリン
を含み、残余（又は残余物又はバランス（balance））は、Ｆｅである（例えば、約７０％）。
別の実施形態において、溶接金属特性（又はウェルドメタルプロパティ（weld metal properties））（例えば、強度または靱性）を強化する（又は高める）ために加えられ得る他の元素は、約０．７重量％以下のチタンである。
【００１７】
特定の実施形態において、溶接金属は、
約０．１〜０．３重量％の炭素、
約１８．０〜２２．０重量％のマンガン、
約３．５〜６．５重量％のクロム、
約１．５重量％未満のモリブデン、
約５．５〜８．５重量％のニッケル、
約０．４〜０．８重量％のケイ素、
約１５０ｐｐｍ未満の硫黄、および
約０．７重量％以下のチタン（例えば、約０．１５〜約０．４５重量％のチタン）
の少なくとも１つを含む。
【００１８】
さらなる実施形態において、溶接金属は、約０．１５〜約０．４５重量％のチタンを含む。
【００１９】
別の実施形態において、溶接金属微細構造は、オーステナイト相を有する。
特定の実施形態において、オーステナイト相は、硬質α’−マルテンサイトに変態し得、歪みを加えると、微細双晶化を起こし得る。
【００２０】
別の態様において、本明細書の記載は、許容され得る溶接性（又はウェルダビリティ（weldability））を提供するように、溶接アーク安定性（又はウェルドアークスタビリティ（weld arc stability））、ならびに粘度およびビード形状などの溶接プール流れ特性（又はウェルドプールフローキャラクテリスティック（weld pool flow characteristics））の制御を可能にする溶接装置（又は溶接機器（welding equipment））およびパラメータを用いて、溶接金属を適用するためのシステムを提供する。
特定の実施形態において、高Ｍｎ鋼および低炭素鋼を接合（又はジョイント）する溶接を提供するためのシステムは、消耗品ワイヤ電極およびガスメタルアーク溶接を行うガスメタルアーク溶接電源を含む。
特定の実施形態において、消耗品ワイヤ電極は、
約０．１重量％〜約０．４重量％の範囲の炭素、
約１５重量％〜約２５重量％の範囲のマンガン、
約２重量％〜約８重量％の範囲のクロム、
約２重量％以下の量のモリブデン、
約３〜約１０重量％の量のニッケル、
約１．０重量％以下の量のケイ素、
約１５０ｐｐｍ以下の量の硫黄、
約２００ｐｐｍ以下の量のリン、および
鉄を含む残余（又は残余物又はバランス（balance））
を含む。
ガスメタルアーク溶接電源は、約２．５ｋＪ／ｍｍ以下の溶接入熱を生成する。
【００２１】
特定の実施形態において、消耗品ワイヤ電極は、
約０．１〜０．３重量％の炭素、
約１８．０〜２２．０重量％のマンガン、
約３．５〜６．５重量％のクロム、
約１．５重量％未満のモリブデン、
約５．５〜８．５重量％のニッケル、
約０．４〜０．８重量％のケイ素、
約１５０ｐｐｍ未満の硫黄、および
約０．１５〜０．４５重量％のチタン
の少なくとも１つを含む。
【００２２】
別の実施形態において、溶接入熱は、約０．６ｋＪ／ｍｍ〜約１．０ｋＪ／ｍｍの範囲内である。
【００２３】
さらなる態様において、本明細書の記載は、本明細書中に記載されるような溶接金属を適用するための方法を提供する。
特定の実施形態において、この方法は、許容され得る溶接性を提供するように、粘度およびビード形状などの溶接プール流れ特性の制御を可能にする溶接装置およびパラメータを用いて、本明細書中に記載されるような溶接金属を適用することを含む。溶接金属化学（又はウェルドメタルケミストリー（weld metal chemistry））、溶接継ぎ手形状（又はウェルドジョイントジオメトリー（weld joint geometry））、および溶接入熱（又はウェルディングインプット（welding input））は、凝固割れ（又はソリディフィケーションクラッキング（solidification cracking））に対する脆弱性（又は感受率（susceptibility））を確実に減少させ、侵食耐性高Ｍｎ鋼ベースメタルおよび低炭素鋼ベースメタルにおける溶接金属および熱影響部（ＨＡＺ）靱性（又は熱影響ゾーン（ＨＡＺ）タフネス（heat affected zone (HAZ) toughness））の著しい低下を防ぐように制御される。好ましい実施形態において、本開示の溶接金属は、オーステナイト結晶粒（又はオーステナイトグレイン（austenite grains））を含む微細構造（又はミクロストラクチャー（microstructure））を有する。
【００２４】
さらなる態様において、本明細書の記載は、侵食耐性高Ｍｎ鋼および低炭素鋼を接合（又はジョイント）するための溶着物を製造する方法を提供する。この方法は、
溶接される高Ｍｎ鋼ベースおよび（溶接される）低炭素鋼ベース、ならびに溶接用溶加材（又は溶接用充填金属又はウェルディングフィラーメタル（welding filler metal））を提供すること（又は工程又はステップ）、および
溶接用溶加材（又はウェルディングフィラーマテリアル（welding filler material））を溶融および冷却して、溶着物（又はウェルドデポジット（weld deposit））を生成すること（又は工程またはステップ）
を含む。
特定の実施形態において、溶接用溶加材（welding filler metal）は、
約０．１重量％〜約０．４重量％の範囲の炭素、
約１５重量％〜約２５重量％の範囲のマンガン、
約２重量％〜約８重量％の範囲のクロム、
約２重量％以下の量のモリブデン、
約１０重量％以下の量のニッケル、
約１．０重量％以下の量のケイ素、
約１００ｐｐｍ以下の量の硫黄、
約２００ｐｐｍ以下の量のリン、および
鉄を含む残余（又は残余物又はバランス（balance））
を含む。
【００２５】
特定の実施形態において、溶融は、約２．５ｋＪ／ｍｍ以下の溶接入熱を溶接用溶加材（welding filler metal）に適用することを含む。
【００２６】
特定の実施形態において、ベースは、溶接される部分を含み、この部分は、約２５°を超える開先を含む。
【００２７】
別の実施形態において、溶着物（又はウェルドデポジション（weld deposition））は、溶接したままの状態で、低炭素鋼ベースの降伏強度を超えるか、または所要の最小降伏強度を超える降伏強度を有する。
【００２８】
特定の実施形態において、溶着物は、溶接したままの状態で、約７０ｋｓｉを超える降伏強度；溶接したままの状態で、７０ｋｓｉを超える極限引張強さ；および溶接したままの状態で、−２９℃で約２７Ｊを超えるＣＶＮのうちの少なくとも１つを有する。
【００２９】
さらなる実施形態において、上記ベースメタルの熱影響部は、溶接後、−２９℃で約２７Ｊを超えるＣＶＮを有する。
【００３０】
本明細書中に記載される態様または実施形態のいずれかにおいて、ベースメタルまたはベース鋼は、侵食／腐食耐性高Ｍｎ鋼である。
【００３１】
本明細書中に記載される態様または実施形態のいずれかにおいて、この方法は、溶接金属における炭素含量を、高Ｍｎ鋼ベースメタルの熱影響部における炭素の量未満の量に制限することをさらに含む。
【００３２】
上記の一般的な利用分野は、例として示されるに過ぎず、本開示の範囲および添付の特許請求の範囲に限定されることは意図されていない。本開示の組成物、方法、およびプロセスに関連するさらなる目的および利点が、本発明の特許請求の範囲、本明細書、および実施例を考慮して、当業者によって理解されるであろう。例えば、本開示の様々な態様および実施形態は、多くの組合せで用いられてもよく、それらは全て、本明細書によって明示的に想定される。これらのさらなる利点目的および実施形態は、本開示の範囲内に明示的に含まれる。本開示の背景技術を例示するために、および特定の場合、実施に関するさらなる詳細を提供するために本明細書において使用される刊行物および他の資料が、参照により援用される。
【００３３】
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を成す添付の図面は、本開示のいくつかの実施形態を例示し、本明細書と一緒に、本開示の原理を説明するのに用いられる。図面は、本開示の一実施形態を例示するためのものに過ぎず、本開示を限定するものとして解釈されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１Ａ〜１Ｃは、一実施形態に係る炭素鋼への高Ｍｎ鋼の異種溶接マクロ（ｍａｃｒｏ）である。
【図２】ＨＭＳパイプ溶接および溶接ビードシーケンスへのＶｉｃｔａｕｌｉｃ環を示す概略図である。
【図３】炭素鋼Ｖｉｃｔａｕｌｉｃ環を侵食耐性高Ｍｎ鋼パイプに接合する溶接を示す溶接断面マクロである。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
（詳細な説明）
以下の詳細な説明の節において、本開示の特定の実施形態は、好ましい実施形態に関連して説明される。しかしながら、以下の説明が、本開示の特定の実施形態または特定の使用に特有である程度に、これは、あくまでも例示のためであることが意図され、例示的な実施形態の説明を提供するに過ぎない。本開示は、後述される特定の実施形態に限定されず、むしろ、それは、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲に含まれる全ての代替例、変更、および均等物を含む。
【００３６】
典型的な炭素−マンガン鋼溶接と比較した、高Ｍｎ鋼溶接金属における炭素、ニッケル、およびマンガンの濃度のため、高Ｍｎ鋼溶接金属は、従来の溶接技術で適用するのが困難である。高Ｍｎ鋼溶接金属は、従来の低炭素鋼溶接金属と比較して、溶融した場合の粘性がかなり高い。溶融された高Ｍｎ鋼溶接金属の粘度の増加により、溶接の縁部とベースメタルとの間に位置する溶接止端部における溶融欠陥がなくなり得る。さらに、高Ｍｎ鋼ベースメタルの靱性は、溶接による熱サイクルの影響を受ける。結果として、溶接中の入熱が高過ぎる場合、高Ｍｎ鋼ベースメタルＨＡＺは、許容できないレベルの靱性をもたらし得る。さらに、溶接金属は、初晶オーステナイトとして凝固する。したがって、溶接金属組成物、および溶接ビード形状が、適切に制御されない場合、溶接は、凝固割れを起こしやすい。
【００３７】
本開示の異種溶接、高Ｍｎ鋼（ＤＭＷ−ＨＭＳ）を現場で適用して、優れた強度および靱性で低炭素鋼部品と高Ｍｎ鋼部品を接合することができるという意外かつ予想外の発見に関連するシステムおよび方法が、本明細書に記載される。
【００３８】
様々な態様および実施形態が、オイルサンド製造に使用される高マンガン鋼部品に関して例示される。しかしながら、本開示の実施形態は、十分な溶接性、強度および靱性を有する溶接物が必要とされる、低炭素鋼部品への侵食／磨耗耐性高マンガン鋼部品のあらゆる溶接により幅広く適用されることが明らかである。他のこのような用途としては、例えば、構造的低炭素鋼または低炭素鋼治具への侵食耐性高Ｍｎ鋼板の溶接が挙げられる。様々な用語が、以下の明細書において定義されている。
【００３９】
指定される範囲内の任意の他の指定される値または中間値は、本開示の範囲内に包含されることが理解される。独立してより狭い範囲に含まれ得る、これらのより狭い範囲の上限および下限も、指定される範囲内の明確に除外される限界値にしたがって、本開示の範囲内に包含される。指定される範囲が、限界値の一方または両方を含む場合、含まれる限界値のいずれかまたは両方を除外した範囲も本開示に含まれる。
【００４０】
以下の用語が、本開示を説明するのに使用される。用語が、本明細書において具体的に定義されていない場合、その用語は、本開示を説明する際のその使用に関してその用語を適用して、当業者によって当該技術分野において認識されている意味を与えられる。
【００４１】
本明細書の詳細な説明および特許請求の範囲における全ての数値は、示される値の前の「約」または「およそ」によって修飾され、当業者によって予測され得る実験誤差および変動を考慮に入れる。
【００４２】
本明細書および添付の特許請求の範囲において使用される際の冠詞「ａ」および「ａｎ」は、文脈上特に明記されない限り、冠詞の文法的目的語の１つまたは２つ以上（すなわち、少なくとも１つ）を指す。例として、「要素（ａｎ  ｅｌｅｍｅｎｔ）」は、１つの要素または２つ以上の要素を意味する。
【００４３】
本明細書および特許請求の範囲において使用される際、「および／または」という語句は、そのように結合される要素の「いずれかまたは両方」、すなわち、ある場合には結合して存在し、他の場合には分離して存在する要素を意味するものと理解されるべきである。「および／または」を用いて列挙される複数の要素は、同じ様式、すなわち、そのように結合される要素の「１つまたは複数」と同様に解釈されるべきである。具体的に特定される要素に関連するかまたは関連しないかにかかわらず、「および／または」節によって具体的に特定される要素以外の他の要素が任意選択的に存在し得る。したがって、非限定的な例として、「Ａおよび／またはＢ」への言及は、「を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などのオープンエンドの語とともに使用される場合、一実施形態において、Ａのみ（任意選択的にＢ以外の要素を含む）；別の実施形態において、Ｂのみ（任意選択的にＡ以外の要素を含む）；さらに別の実施形態において、ＡおよびＢの両方（任意選択的に他の要素を含む）などを指し得る。
【００４４】
本明細書および特許請求の範囲において使用される際、「または」は、上に定義される「および／または」と同じ意味を有するものと理解されるべきである。例えば、リスト中の項目を分離する場合、「または」または「および／または」は、包括的である、すなわち、いくつかの要素または要素のリストの２つ以上も含む少なくとも１つ、および、任意選択的に、列挙されていないさらなる項目を含むものと解釈されるべきである。矛盾することが明らかに示される限定的な用語（ｏｎｌｙ  ｔｅｒｍ）、例えば、「のうちの１つのみ」または「のうちのちょうど１つ」、または、特許請求の範囲において使用される場合、「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ）」は、いくつかの要素または要素のリストのちょうど１つの要素を含むことを指す。一般に、本明細書において使用される際の「または」という用語は、「いずれか」、「のうちの１つ」、「のうちの１つのみ」、または「のうちのちょうど１つ」などの排他性を有する用語が前にある場合、排他的選択肢（すなわち、「一方または他方であるが、両方でない」）を示すものとして解釈されるのみである。
【００４５】
特許請求の範囲、ならびに上記の本明細書において、「を含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「を含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「を有する（ｃａｒｒｙｉｎｇ）」、「を有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「を含有する（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「を含む（ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ）」、「を保持する（ｈｏｌｄｉｎｇ）」、「から構成される（ｃｏｍｐｏｓｅｄ  ｏｆ）」などの全ての移行句は、オープンエンドである、すなわち、含むがそれに限定されないことを意味するものと理解されるべきである。限定的な移行句「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ）」および「から本質的になる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ）」はそれぞれ、ｔｈｅ  １０  Ｕｎｉｔｅｄ  Ｓｔａｔｅｓ  Ｐａｔｅｎｔ  Ｏｆｆｉｃｅ  Ｍａｎｕａｌ  ｏｆ  Ｐａｔｅｎｔ  Ｅｘａｍｉｎｉｎｇ  Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ，Ｓｅｃｔｉｏｎ  ２１１１．０３に記載されるように、クローズドまたはセミクローズドな移行句であるものとする。
【００４６】
本明細書および特許請求の範囲において使用される際、１つまたは複数の要素のリストに関する「少なくとも１つ」という語句は、要素のリスト中のいずれか１つまたは複数から選択される少なくとも１つの要素を意味するものと理解されるべきであるが、要素のリスト内に特に列挙されるあらゆる要素の少なくとも１つを必ずしも含むとは限らず、要素のリスト内の要素の任意の組合せを除外しない。この定義はまた、具体的に特定される要素に関連するかまたは関連しないかにかかわらず、「少なくとも１つ」という語句が指す要素のリスト内で具体的に特定される要素以外の要素が任意選択的に存在し得ることを可能にする。したがって、非限定的な例として、「ＡおよびＢの少なくとも１つ」（または、同等に、「ＡまたはＢの少なくとも１つ」、または、同等に「Ａおよび／またはＢの少なくとも１つ」）は、一実施形態において、任意選択的に２つ以上を含む少なくとも１つの、Ｂの存在なしのＡ（任意選択的にＢ以外の要素を含む）；別の実施形態において、任意選択的に２つ以上を含む少なくとも１つの、Ａの存在なしのＢ（任意選択的にＡ以外の要素を含む）；さらに別の実施形態において、任意選択的に２つ以上を含む少なくとも１つのＡ、および任意選択的に２つ以上を含む少なくとも１つのＢ（任意選択的に他の要素を含む）などを指し得る。
【００４７】
矛盾することが明らかに示されない限り、２つ以上の工程または作業を含む本明細書において権利請求される任意の方法において、方法の工程または作業の順序は、方法の工程または作業が記載される順序に必ずしも限定されないことも理解されるべきである。
【００４８】
特に定義されない限り、本明細書において使用される全ての技術用語および科学用語は、本開示が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書における本開示の説明に使用される用語は、特定の実施形態を説明するものに過ぎず、本開示を限定することは意図されていない。
【００４９】
定義
延性：破壊前にかなりの塑性変形を受ける材料の能力の尺度を意味し得るが、決してこれに限定されず；それは、伸び率（％  ＥＬ）または面積減少率（％  ＡＲ）として表され得る。
【００５０】
耐腐食性：反応性または腐食環境への曝露によって引き起こされる劣化に対する材料固有の耐性を意味し得るが、決してこれに限定されない。
【００５１】
靱性：亀裂発生および伝播に対する耐性を意味し得るが、決してこれに限定されない。
【００５２】
降伏強度：変形せずに荷重に耐える材料の能力を意味し得るが、決してこれに限定されない。
【００５３】
引張強さ：破壊機構が線形弾性破壊でない場合の、応力の単位での材料の最大荷重支持能力に対応する強度を意味し得るが、決してこれに限定されない。
【００５４】
冷却速度：一般に材料の片の中心、または実質的に中心で測定される、材料の片の冷却の速度を意味し得るが、決してこれに限定されない。
【００５５】
熱影響部（ＨＡＺ）：溶接作業中に溶融されないが、溶接のための熱によって影響される、溶接溶融ラインに隣接するベースメタルを意味し得るが、決してこれに限定されない。
【００５６】
溶接物：溶接によって接合される構成部品の組立体を意味し得るが、決してこれに限定されない。
【００５７】
溶接ビード溶け込み形状：横断面において観察したときの、溶接ビードの底部（ルート）の近くの溶接ビードの形状を意味し得るが、決してこれに限定されない。
【００５８】
溶接性：特定の金属または合金を溶接する実現可能性を意味し得るが、決してこれに限定されない。溶接性は、溶接中の脆弱性または水素に誘起される割れを指す場合があるが、本開示に関して、溶接性は、溶融の欠如、溶け込みの欠如、またはアンダーカットなどの欠陥の発生を伴わない溶接しやすさを指す。いくつかの要因が、高い表面張力の溶融溶接プールおよび一貫性のないまたは不安定な溶接アークを含む低い溶接性に寄与する。これらの要因は、隣接するベースメタルにおける溶接プールの低い濡れ性、溶接止端部における鋭い（または小さい）凹角および望ましくない溶接スパッタを含む、溶接者によって観察される兆候を生じる。良好な溶接性を得ることは、良好な溶接プール流動性、アーク安定性（「滑らかな」アーク）、ベースメタルとの接合部における溶接プールの良好な濡れ性、良好なビード溶け込み形状を含む一連の特性を指す（全て、溶接欠陥を減少させることを目的としている）。
【００５９】
ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）：トーチを用いる溶接プロセスであって、それによって、溶加ワイヤが電極として働き、コンタクトチップを通して自動的に送給され、溶接プロセスにおいて消費される。コンタクトチップは、典型的に、シールドガスを溶接アークの領域に送るガスカップによって囲まれる。一般的なシールドガスは、アルゴン、二酸化炭素、ヘリウム、および酸素である。トーチの走行は、機械によって提供され得るか（自動的または機械化）または人間によって提供され得る（半自動）。プロセス名ＧＭＡＷは、アメリカ溶接協会（ｔｈｅ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｗｅｌｄｉｎｇ  Ｓｏｃｉｅｔｙ）による規格表示である。
【００６０】
パルスガスメタルアーク溶接（ＰＧＭＡＷ）：電流パルス能力を提供する電源を用いるＧＭＡＷプロセスの変形。これらは、高度な電流波形電源と呼ばれる場合がある。アメリカ溶接協会（Ｔｈｅ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｗｅｌｄｉｎｇ  Ｓｏｃｉｅｔｙ）は、ＰＧＭＡＷをＧＭＡＷ−Ｐと称している。
【００６１】
ＧＭＡＷに基づくプロセス：ＰＧＭＡＷ、メタルコアアーク溶接（ＭＣＡＷ）、およびフラックスコアアーク溶接（ＦＣＡＷ）などの、ＧＭＡＷと類似したいくつかの関連するプロセス。ＭＣＡＷとの主な相違は、コアードワイヤが使用され、コア内に金属粉末が存在することである。ＦＣＡＷプロセスはまた、コアードワイヤを使用し、コアは、典型的に、フラックス粉末からなる。ＦＣＡＷは、シールドガスとともにまたはそれを伴わずに使用され得る。
【００６２】
オーステナイト：面心立方（ＦＣＣ）原子結晶構造を有する鋼における金属学的相を意味し得るが、決してこれに限定されない。
【００６３】
マルテンサイト：限定はされないが、母相（典型的にオーステナイト）および生成物相が特定の配向関係を有する無拡散相変態によって形成され得る鋼における金属学的相を意味し得るが、決してこれに限定されない。
【００６４】
ε（イプシロン）−マルテンサイト：オーステナイト相を冷却するかまたは歪みを加えると生じる六方最密充填原子結晶構造を有するマルテンサイトの特定の形態を意味し得るが、決してこれに限定されない。ε−マルテンサイトは、典型的に、オーステナイト相の最密充填（１１１）面に生じ、形態が変形双晶または積層欠陥クラスターに類似している。
【００６５】
α’（アルファプライム）−マルテンサイト：オーステナイト相を冷却するかまたは歪みを加えると生じる体心立方（ＢＣＣ）または体心正方（ＢＣＴ）原子結晶構造を有するマルテンサイトの特定の形態を意味し得るが、決してこれに限定されず；α’−マルテンサイトは、典型的に、板状晶として生じる。
【００６６】
炭化物：鉄／金属および炭素の化合物を意味し得るが、決してこれに限定されない。
【００６７】
溶接金属組成物
一態様において、本明細書は、最近のガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）プロセスを用いて適用されるオーステナイト溶接金属（又はオーステナイトウェルドメタル（austenitic weld metal））を提供する。これにより、溶接金属およびベースメタル熱影響部の両方において好適な強度、好適な低温靱性を同時に達成することが可能な、侵食耐性高Ｍｎ鋼部品を低炭素鋼部品に溶接するのに有用なオーステナイト微細構造、および低い欠陥率を有する溶接物が製造される。本開示の実施形態は、良好な溶接性を得るが、これは、良好な溶接プール流動性、アーク安定性（「滑らかな」アーク）、ベースメタルとの接合部における溶接プールの良好な濡れ性、および良好なビード溶け込み形状を含む一連の特性を指し、これらは全て、溶接欠陥を減少させることを目的としている。
【００６８】
ＤＭＷ−ＨＭＳ溶接金属化学を、ベースメタルＨＭＳ化学およびベースメタル低炭素鋼と併用して、必要な消耗品溶接ワイヤ組成を計算することができる。同様に、消耗品溶接ワイヤ化学、ベースメタルＨＭＳ化学、およびベースメタル低炭素鋼化学を用いて、ＤＭＷ−ＨＭＳ溶接金属化学を計算することができる。ＤＭＷ−ＨＭＳ化学は、溶接ワイヤ化学の変更ならびに溶け込みおよびベースメタル希釈の量を制御する溶接プロセスの知識によって、様々なＨＭＳおよび低炭素鋼ベースメタルに適用され得る。溶接工学の当業者に公知であるように、化学的性質のうちの３つが分かっているかまたは特定される場合、４つの化学的性質のうちの１つを決定するために、希釈率の計算を用いることができる。ＨＭＳ−炭素鋼部品を溶接する場合（例えば、低炭素鋼環をＨＭＳスラリーパイプに）、ＨＭＳベースメタル、低炭素鋼ベースメタル、溶接金属、および溶加ワイヤの４つの金属が関与する。本明細書に記載されるＭＣＡＷ溶接の用途では、希釈率は、典型的に、溶接パスの大部分について５％〜２０％である。希釈率の計算は、当該技術分野において公知であり、アメリカ溶接協会（Ｔｈｅ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｗｅｌｄｉｎｇ  Ｓｏｃｉｅｔｙ）によって出版されたＧｅｏｒｇｅ  Ｅ．ＬｉｎｎｅｒｔによるＷｅｌｄｉｎｇ  Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ，Ｖｏｌｕｍｅ  ２，Ｔｈｉｒｄ  Ｅｄｉｔｉｏｎを含むいくつかの溶接工学のテキストに説明されている。
【００６９】
本開示の溶接金属は、例えば、低炭素鋼環およびフランジを、侵食耐性高Ｍｎ鋼（ＨＭＳ）、例えば、ＨＭＳスラリーパイプに接合する異種金属溶接に十分な機械的特性をもたらす。これらの新規な溶接は、スラリーパイプラインに好適であり、許容される溶接性および欠陥率で、現場建設中に適用され得る。特定の用途に必要とされる溶接金属は、溶接金属化学および溶接方法の選択によって設計され、好適な溶接微細構造および機械的特性をもたらすように、厳しい現場パイプライン建設の条件で適用され得る。
【００７０】
一実施形態において、溶接金属は、約０．１重量％〜約０．４重量％の範囲の炭素、約１５重量％〜約２５重量％の範囲のマンガン、約２．０重量％および８．０重量％の範囲のクロム、約２．０重量％以下のモリブデンの量のモリブデン、約１０重量％以下の量のニッケル、約１．０重量％以下の量のケイ素、約２００ｐｐｍ以下の硫黄の量の硫黄、約２００ｐｐｍ以下のリンの量のリンを含み、残余は鉄である。別途特に示されない限り、溶接金属の組成物に関連する本明細書における全てのパーセンテージは、重量パーセント（重量％）で表される。溶接金属組成物の残余は鉄であるが、溶接金属は、他の挙げられていない構成要素、例えば不純物などを含み得る可能性がある。
【００７１】
以下に概説されるような他の理由で、他の元素が加えられ得る。例えば、チタンが、約０．７重量％以下（例えば、約０．１５〜０．４５重量％）の量で加えられ得る。
【００７２】
ある実施形態において、溶接金属は、約０．１〜０．３重量％の炭素；約１８．０〜２２．０重量％のマンガン；約３．５〜６．５重量％のクロム；約１．５重量％未満のモリブデン；約５．５〜８．５重量％のニッケル；約０．４〜０．８重量％のケイ素；約１５０ｐｐｍ未満の硫黄；および約０．１５〜０．４５重量％のチタンのうちの少なくとも１つを含む。
【００７３】
本開示に記載される高Ｍｎ鋼溶接金属は、２つの鋼が溶接によって接合される必要がある用途、例えば、スラリーパイプ用途に使用されるベースメタル高Ｍｎ鋼およびベースメタル低炭素鋼の最小限の機械的特性を満たす必要がある。したがって、ＤＭＷ−ＨＭＳ溶接金属微細構造は、侵食耐性ＨＭＳベースメタルおよび低炭素鋼微細構造の両方と適切に適合し得る。一実施形態において、この目的のための適切な溶接金属微細構造は、室温で面心立方（ｆｃｃ）構造を有する準安定オーステナイト相からなる。
【００７４】
歪みを加えると、準安定オーステナイト相は、歪み誘起変態によっていくつかの異なる相変態を起こし得る。これらの変態としては、以下のものが挙げられる：オーステナイト相は、具体的な鋼の化学的性質および／または温度に応じて、双晶が母相と整列された微細双晶（ｆｃｃ）構造、ε−マルテンサイト（六方格子）、およびα’−マルテンサイト（体心正方格子）へと変態する。
【００７５】
これらの変態生成物は、高Ｍｎ鋼の特有の特性をもたらす上での鍵である。例えば、微細な微細双晶は、一次オーステナイト結晶粒を効果的に分割し、転位運動に対する強い障害物として働く。これは、結晶粒を効果的に微細化し、高い極限引張強さおよび延性の優れた組合せをもたらす。
【００７６】
ベースメタル侵食耐性高Ｍｎ鋼の化学的性質は、良好な侵食および磨耗性能を提供する変態生成物を生成するように特に調整されてきた。ベースメタルは、歪みを加えると硬質α’−マルテンサイトへと変態することが多い非常に準安定オーステナイト相を含むように製造される。これらの鋼の表面磨耗後、非常に準安定なオーステナイト相の表面層は、α’−マルテンサイトへと変態し得る。この摩擦誘起相変態は、丈夫な非変態準安定オーステナイトの内部の上にマルテンサイトからなる薄い硬質表面層の形成をもたらす。これは、磨耗／侵食用途のための望ましい組合せである。一実施形態において、高Ｍｎ鋼ベースメタルは、“Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｗｅａｒ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｔ  Ｓｔｅｅｌ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｏｆ  Ｍａｋｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｓａｍｅ”と題された２０１３ＥＭ１１８、ＰＣＴ／ＵＳ２０１４／０２０５９９号明細書に記載されるように提供される。
【００７７】
低炭素鋼および侵食耐性ＨＭＳを接合するための本開示に記載されるＤＭＷ−ＨＭＳ溶接金属は、侵食性の使用に曝されない。例えば、ＤＭＷ−ＨＭＳは、低炭素鋼環またはフランジを、侵食耐性ＨＭＳスラリーパイプの外部に接合するのに使用され得、したがって、ＤＭＷ−ＨＭＳは、パイプの内部における侵食性の使用に曝されない。したがって、侵食耐性ＨＭＳベースメタルに必要とされる、侵食耐性を改善する磨耗誘起表面変態は、ＤＭＷ−ＨＭＳ溶接金属に必要とされない。一実施形態において、溶接金属における炭素レベルは、侵食耐性ＨＭＳベースメタルにおける炭素レベルより大幅に低いレベルに制御される。より低い炭素レベルは、強度および低温靱性要件を満たすように安定したオーステナイト相を維持し、低炭素鋼ベースメタルとより適合する。マンガンは、高Ｍｎ鋼の主要な元素であり、それは、冷却および変形中にオーステナイト構造を安定させるのに重要である。したがって、一実施形態において、溶接金属におけるマンガンレベルは、ベースメタルのものと同様である。
【００７８】
オーステナイトＨＭＳでは、炭素は、有効なオーステナイト安定剤として働き、また、固溶体固化によって母相を強化する。ＤＭＷ−ＨＭＳ溶接金属における炭素レベルの低下により、所要の強度特性をもたらすためにいくつかのさらなる元素で溶接金属を合金化することが必要になる。
【００７９】
ケイ素の添加は、α’−マルテンサイト変態の持続に加えて、いくらかの固溶体強化を提供する。ケイ素はまた、溶接中の溶接プール流動性を改善するように働き、これにより、全ての溶接位置において溶接性が改善される。一実施形態において、溶接金属におけるケイ素含量は、溶接性の利益のため、ベースメタルレベルを超えて、例えば約０．７重量％または約０．６重量％まで増加される。特定の実施形態において、ケイ素は、約０．４〜０．７重量％の量で存在する。
【００８０】
クロムの添加は、耐腐食性を高め、溶接金属耐腐食性がその用途に十分であるのを確実にするために重要である。より高いレベルでのクロムの添加はまた、冷却中のフェライト相の形成を促進し、冷却および再加熱中の炭化物の形成につながる。ある実施形態において、クロム含量は、約２．０重量％〜約８．０重量％の範囲である。他の実施形態において、溶接金属におけるクロム含量は、約２．０重量％〜約８．０重量％、約２．０重量％〜約７．０重量％、約２．０重量％〜約６．０重量％、約２．０重量％〜約５．０重量％、約２．０重量％〜約４．０重量％、約２．０重量％〜約３．０重量％、約３．０重量％〜約８．０重量％、約３．０重量％〜約７．０重量％、約３．０重量％〜約６．０重量％、約３．０重量％〜約５．０重量％、約３．０重量％〜約４．０重量％、約４．０重量％〜約８．０重量％、約４．０重量％〜約７．０重量％、約４．０重量％〜約６．０重量％、約４．０重量％〜約５．０重量％、約５．０重量％〜約８．０重量％、約５．０重量％〜約７．０重量％、約５．０重量％〜約６．０重量％、約６．０重量％〜約８．０重量％、約６．０重量％〜約７．０重量％、または約７．０重量％〜約８．０重量％の範囲である。特定の実施形態において、クロム含量は、約２．０重量％、約２．５重量％、約３．０重量％、約３．５重量％、約４．０重量％、約４．５重量％、約５．０重量％、約５．５重量％、約６．０重量％、約６．５重量％、約７．０重量％、約７．５重量％、または約８．０重量％である。
【００８１】
モリブデンの添加は、かなりの固溶体強化を提供する。モリブデンの添加は、ＤＭＷ−ＨＭＳ溶接金属において必要な強度特性を達成するのに重要である。本開示の溶接金属は、約２．０重量％以下の量のモリブデンを含み得る。
【００８２】
ニッケルの添加は、さらなるオーステナイト安定性を提供することができ、低温溶接金属靱性を改善することができる。しかしながら、より高いレベルでのニッケルの添加は、強度を低下させ得る。ある実施形態において、溶接金属は、約１０重量％以下の量のニッケルを含む。特定の実施形態において、ニッケルは、約７％の量で存在する。ある実施形態において、ニッケルは、約０〜１０重量％、約０〜９重量％、約０〜８重量％、約０〜７重量％、約０〜６重量％、約０〜５重量％、約０〜４重量％、約０〜３重量％、約０〜２重量％、約０〜１重量％、約１〜１０重量％、約１〜９重量％、約１〜８重量％、約１〜７重量％、約１〜６重量％、約１〜５重量％、約１〜４重量％、約１〜３重量％、約１〜２重量％、約２〜１０重量％、約２〜９重量％、約２〜８重量％、約２〜７重量％、約２〜６重量％、約２〜５重量％、約２〜４重量％、約０〜３重量％、約３〜１０重量％、約３〜９重量％、約３〜８重量％、約３〜７重量％、約３〜６重量％、約３〜５重量％、約３〜４重量％、約４〜１０重量％、約４〜９重量％、約４〜８重量％、約４〜７重量％、約４〜６重量％、約４〜５重量％、約５〜１０重量％、約５〜９重量％、約５〜８重量％、約５〜７重量％、約５〜６重量％、約６〜１０重量％、約６〜９重量％、約６〜８重量％、約６〜７重量％、約７〜１０重量％、約７〜９重量％、約７〜８重量％、約８〜１０重量％、約８〜９重量％、または約９〜１０重量％の量で存在する。特定の実施形態において、溶接物は、約０．０重量％、約０．５重量％、約１．０重量％、約１．５重量％、約２．０重量％、約２．５重量％、約３．０重量％、約３．５重量％、約４．０重量％、約４．５重量％、約５．０重量％、約５．５重量％、約６．０重量％、約６．５重量％、約７．０重量％、約７．５重量％、約８．０重量％、約８．５重量％、約９．０重量％、約９．５重量％、または約１０．０重量％のニッケルを含む。
【００８３】
ＤＭＷ−ＨＭＳ溶接金属に対して行われ得るいくつかのさらなる少量の元素の添加がある。少量（例えば、約０．７重量％以下または、約０．１５〜０．４５重量％）のチタンが、結晶粒微細化および析出硬化のために加えられて、溶接金属を強化し得る。
【００８４】
硫黄およびリンは、不純物であり、意図的に加えられない。これらの要素は、溶接消耗品中のそれらの量を制限することによって制御される。硫黄およびリンの量は、溶接凝固割れを回避するために制御されなければならない。例えば、一実施形態において、硫黄およびリンはそれぞれ、約２００ｐｐｍ以下の濃度で存在する。
【００８５】
ある実施形態において、溶接物は、約１５〜２５重量％、約１５〜２３重量％、約１５〜２１重量％、約１５〜１９重量％、約１５〜１７重量％、約１７〜２５重量％、約１７〜２３重量％、約１７〜２１重量％、約１７〜１９重量％、約１９〜２５重量％、約１９〜２３重量％、約１９〜２１重量％、約２１〜２５重量％、約２１〜２３重量％、または約２３〜２５重量％のマンガンを含む。
【００８６】
溶接金属学／微細構造／機械的特性：
新規なＤＭＷ−ＨＭＳ溶接金属は、侵食耐性ＨＭＳ部品（スラリーパイプを含む）を低炭素鋼部品に接合するのに必要な強度および靱性を提供することができる。これらの特性要件を満たすのに必要な微細構造は、溶接金属化学および溶接プロセスパラメータの適切な制御によって達成される。
【００８７】
ＤＭＷ−ＨＭＳ溶接金属は、その用途（例えば、スラリーパイプ）に必要な最小引張強さ特性を達成しなければならない。例えば、溶接金属引張強さは、侵食耐性ＨＭＳ基材または低炭素鋼部品基材のための部品設計が必要とする所定の最小極限引張強さ（ＳＭＵＴＳ）のうち、いずれか最も低いものより大きくなければならない。本明細書に記載される実施形態のいくつかにおいて、低炭素鋼部品のためのＳＭＵＴＳは、侵食耐性ＨＭＳ部品のためのＳＭＵＴＳより低い。一実施形態において、本開示のＤＭＷ−ＨＭＳ溶接金属は、硬質α’−マルテンサイトに変態し、歪みを加えると微細双晶化を起こす非常に準安定なオーステナイト相であるため、全てのこれらの要件を達成する。さらに、溶接金属（例えば、モリブデン）における固溶体強化要素は、格子転位運動を妨げることによって、さらなる強化を提供することができる。一実施形態において、これらの強化機構の組合せは、引張強さ要件を達成する高い強度および加工硬化速度を提供する。
【００８８】
ＤＭＷ−ＨＭＳ溶接金属は、その用途（例えば、スラリーパイプ）に必要な最小靱性特性を達成しなければならない。さらに、溶接の近くのベースメタル（ＨＡＺ）も、これらの最小靱性特性を達成しなければならない。意図される用途のための靱性の最も一般的な評価は、溶接金属およびＨＡＺのいくつかの領域のシャルピーＶノッチ（ＣＶＮ）試験を行うことによって測定される衝撃靱性である。エネルギーの単位（すなわち、ジュール、Ｊ）で報告される値は、その用途のための設計コードによって規定される最小限必要なＣＶＮより大きくなければならない。一実施形態において、ＤＭＷ−ＨＭＳ溶接は、溶接金属、侵食耐性ＨＭＳベースメタルＨＡＺ、および低炭素鋼ＨＡＺにおいて要件を達成する。一実施形態において、溶接金属靱性は、オーステナイト相の溶接金属微細構造と、延性破壊モードをもたらす限られた量の炭化物とにより達成される。侵食耐性ベースメタルＨＡＺ靱性は、ＨＡＺにおける炭化物析出が最小限に抑えられるように溶接入熱を制御することによって達成される。高い入熱は、侵食耐性ＨＭＳ  ＨＡＺ結晶粒粒界における過剰な炭化物析出およびＨＡＺにおける増加した硬度につながり、不十分なＣＶＮ靱性値につながり得る。一実施形態において、低炭素鋼ＨＡＺ靱性は、入熱を制御することによって達成される。溶接中の入熱を制御すると、マルテンサイトなどの、高い硬度および低い靱性を有する相の形成を避けることができる。
【００８９】
特定の実施形態において、本開示の溶接金属は、オーステナイト結晶粒を含む微細構造を有する。
【００９０】
別の実施形態において、溶接金属は、溶接したままの状態で、高マンガン鋼ベースおよび／または低炭素鋼の降伏強度を超えるか、または所要の最小降伏強度を超える降伏強度を有する。
【００９１】
一実施形態において、溶接金属は、溶接したままの状態で、約７０ｋｓｉを超える降伏強度を有する。特定の実施形態において、降伏強度は、約７２．５ｋｓｉ、約７５ｋｓｉ、約７７．５ｋｓｉ、約８０ｋｓｉ、または約８２．５ｋｓｉを超える。
【００９２】
ある実施形態において、溶接金属は、溶接したままの状態で、７０ｋｓｉを超える極限引張強さを有する。特定の実施形態において、極限引張強さは、約８５ｋｓｉ、約９０ｋｓｉ、約９５ｋｓｉ、約１００ｋｓｉ、約１０５ｋｓｉ、約１１０ｋｓｉ、約１１５ｋｓｉ、約１２０ｋｓｉ、約１２５ｋｓｉ、または約１３０ｋｓｉを超える。
【００９３】
別の実施形態において、溶接金属は、溶接したままの状態で、−２９℃で約２７Ｊを超えるＣＶＮエネルギーを有する。特定の実施形態において、溶着物は、溶接したままの状態で、約３０Ｊ、約３５Ｊ、約４０Ｊ、約４５Ｊ、約５０Ｊ、約５５Ｊ、約６０Ｊ、約６５Ｊ、約７０Ｊ、約７５Ｊ、または約８０Ｊを超えるＣＶＮエネルギーを有する。
【００９４】
別の実施形態において、溶接金属の適用後、高マンガン鋼ＨＡＶは、溶接したままの状態で、−２９℃で約２７Ｊを超えるＣＶＮエネルギーを有する。特定の実施形態において、高Ｍｇ鋼ＨＡＶは、溶接したままの状態で、−２９℃で、約３０Ｊ、約３５Ｊ、約４０Ｊ、約４５Ｊ、約５０Ｊ、約５５Ｊ、約６０Ｊ、約６５Ｊ、約７０Ｊ、約７５Ｊ、または約８０Ｊを超えるＣＶＮエネルギーを有する。
【００９５】
別の実施形態において、溶接金属の適用後、低炭素鋼ＨＡＺは、溶接したままの状態で、−２９℃で約２７Ｊを超えるＣＶＮエネルギーを有する。特定の実施形態において、低炭素鋼０  ＨＡＺは、溶接したままの状態で、−２９℃で、約３０Ｊ、約３５Ｊ、約４０Ｊ、約４５Ｊ、約５０Ｊ、約５５Ｊ、約６０Ｊ、約６５Ｊ、約７０Ｊ、約７５Ｊ、または約８０Ｊを超えるＣＶＮエネルギーを有する。
【００９６】
溶接性：
新規なＤＭＷ−ＨＭＳ溶接金属は、侵食耐性ＨＭＳを低炭素鋼に接合するのに必要な溶接性を提供することができる。この溶接性は、溶接金属化学、溶接プロセスパラメータ、および溶接継ぎ手設計の適切な制御によって達成される。
【００９７】
一実施形態において、ＤＭＷ−ＨＭＳ溶接金属は、初晶オーステナイトとして凝固する。初晶オーステナイト構造は、溶接凝固割れを起こしやすいことがある。いかなる溶接凝固割れも、スラリーパイプラインを含むオイルサンド部品の作製にとって許容されないため、ＤＭＷ−ＨＭＳ溶接金属は、実際の溶接パラメータを用いた溶接中、凝固割れに対する十分な耐性を提供しなければならない。溶接金属化学の適切な制御は、ＤＭＷ−ＨＭＳ溶接金属において凝固割れを避けるのに役立ち得る。消耗品ワイヤ組成物の制御は、適切なレベルの合金元素および最小レベルの不純物元素（硫黄およびリンなど）を確実にするのに役立ち得る。ベースメタルの希釈は、溶接金属組成物の範囲が、適切な範囲内であることを確実にするように管理されなければならない。ベースメタルＨＭＳは、ＤＭＷ−ＨＭＳ溶接消耗品より大幅に高い炭素含量を有し、したがって、より高い希釈率を有することがあり、これは、より高い凝固割れ脆弱性につながる。一実施形態において、希釈レベルは、最大入熱を制限することによって制御される。別の実施形態において、希釈レベルは、溶接ビードシーケンスを規定することによって制御される。凝固割れはまた、溶接金属の凝固中に生じる溶接残留応力の大きさおよび位置に依存する。さらなる実施形態において、特定の溶接開先形状が、より有利な溶接残留応力を提供するのに使用され、ＤＭＷ−ＨＭＳ溶接金属において凝固割れに対する耐性を改善する。例えば、一実施形態において、より大きいねじ山角度を有する開先は、より低い深さ対幅比を有する溶接ビードをもたらす。これにより、より小さいねじ山角度およびより大きい熱誘起応力を有する狭い開先と比較して、凝固割れ脆弱性を低下させることができる。熱誘起応力はまた、異種金属部品の適切な嵌め合い整列（ｆｉｔ  ｕｐ  ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）を確実にすることによって制御され得る。したがって、ＨＭＳ部品および低炭素鋼部品は、所定の寸法公差以内に適切に制御されるべきである。
【００９８】
溶接プロセスパラメータおよび溶接適用：
本開示の別の実施形態によれば、本開示の溶接金属を適用するためのシステムが提供される。このシステムは、溶接装置およびパラメータを用いて、許容される溶接性を提供するように、溶接アーク安定性ならびに粘度およびビード形状などの溶接プール流れ特性を制御し得る。高Ｍｎ鋼および低炭素鋼を接合するための溶接を提供するためのシステムは、消耗品ワイヤ電極およびガスメタルアーク溶接を行うガスメタルアーク溶接電源を含む。消耗品ワイヤ電極は、上述される溶接金属を含む。例えば、ワイヤ電極は、約０．１重量％〜約０．４重量％の範囲の炭素、約１５重量％〜約２５重量％の範囲のマンガン、約２．０重量％〜約８．０重量％の範囲のクロム、約２．０重量％以下の量のモリブデン、約１０重量％以下の量のニッケル、約０．７０重量％以下の量のケイ素、約１００ｐｐｍ以下の量の硫黄、約２００ｐｐｍ以下の量のリン、および鉄を含む残余を含む。ガスメタルアーク溶接電源は、約２．５ｋＪ／ｍｍ以下の溶接入熱を生成する。別の実施形態において、溶接入熱は、約０．６ｋＪ／ｍｍ（約１５ｋＪ／インチ）〜約１．０ｋＪ／ｍｍ（約２５ｋＪ／インチ）の範囲である。
【００９９】
スラリーパイプライン建設の実用的な生産性で製造される確実なＤＭＷ−ＨＭＳ溶接の適用は、最近開発された溶接技術を用いて達成され得る。工業利用可能なＧＭＡＷ溶接機が、ＤＭＷ−ＨＭＳ溶接のための良好な溶接性を可能にする。ＧＭＡＷ電源の製造業者は、複雑な固体電子工学の使用による高度なパルス波形制御を組み込んでいる。この波形制御は、溶接性の改善および最適化を可能にする。このタイプの溶接は、典型的に、パルスＧＭＡＷまたはＰＧＭＡＷと呼ばれる。これらのＰＧＭＡＷ機械は、長年存在していたが、波形制御が、ＥＲ−ＨＭＳ現場建設に最も有益な最適化のレベルを可能にするのに十分に高度になったのはまだごく最近のことである。
【０１００】
一実施形態において、ＤＭＷ−ＨＭＳ溶接は、ＧＭＡＷ溶接機を用いて製造される。特定の実施形態において、ＤＭＷ−ＨＭＳ溶接は、パルスＧＭＡＷ（ＰＧＭＡＷ）を用いて適用される。ＤＭＷ−ＨＭＳ消耗品化学は、例えば、市販のＧＭＡＷ溶接機を用いて、複数の溶接位置（１Ｇ−下向き、２Ｇ−水平、３Ｇ−鉛直、４Ｇ−上向き、５Ｇ−パイプ水平固定（ｐｉｐｅ  ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ））で溶接され得る。溶接消耗品は、ストリンガビードまたはウィービングビードとして適用され得る。パラメータは、溶接のＨＭＳ側および溶接の低炭素鋼側の両方において適切なベースメタルつなぎ込み（ｔｉｅ  ｉｎ）および溶融を確実にするように選択され得る。
【０１０１】
特定の実施形態において、低炭素鋼環は、現場スラリーパイプライン建設中に、ＨＭＳスラリーパイプの外部に接合される。別の実施形態において、ＤＭＷ−ＨＭＳ溶接は、ＧＭＡＷに基づくプロセス、例えば、ＰＧＭＡＷを用いて作製される。所定の化学的性質および微細構造が達成され、溶接性がその用途に十分であれば、他のプロセスを使用することができる。使用され得る電源のいくつかの例は、ｔｈｅ  Ｆｒｏｎｉｕｓ  ＴｒａｎｓＳｙｎｅｒｇｉｃ  ３２００、ｔｈｅ  Ｌｉｎｃｏｌｎ  Ｐｏｗｅｒ  Ｗａｖｅ  ４５５、およびｔｈｅ  Ｍｉｌｌｅｒ  ＰｉｐｅＰｒｏ  ４５０である。
【０１０２】
低炭素鋼（例えば、低炭素鋼環）をＨＭＳ（例えば、侵食耐性ＨＭＳスラリーパイプの外部）に接合するためのＤＭＷ−ＨＭＳ溶接を適用するためのシステムは、コアードワイヤ消耗品（メタルコアまたはフラックスコア）を用いた半自動ＧＭＡＷ溶接を含み得る。溶接は、約１００〜約１８０ａｍｐの電流で行われ得る。アーク電圧は、約１５Ｖ〜約３０Ｖの範囲であり得る。ワイヤ送給速度は、直径約１．２ｍｍのワイヤでは約８０〜約５００ｉｐｍの範囲であり得る。さらに、溶接は、約１０〜約５０ｃｆｈの範囲の溶接シールドガス流量で行われ得る。別の実施形態において、約１．２ｍｍ〜約１．６ｍｍの範囲の直径を有する溶加ワイヤは、ルート、フィルおよびキャップパス、および／またはで約１〜約１８ｉｐｍの範囲の走行速度を有し得る。ある実施形態において、溶接は、約２．５ｋＪ／ｍｍ（６３．５ｋＪ／インチ）未満の入熱で行われる。特定の実施形態において、溶接は、約１．９７ｋＪ／ｍｍ（５０ｋＪ／インチ）未満の入熱で行われる。入熱は、約０．５９ｋＪ／ｍｍ（約１５ｋＪ／インチ）〜約１．０２ｋＪ／ｍｍ（約２６ｋＪ／インチ）の範囲であり得る。
【０１０３】
本開示の別の実施形態によれば、本開示の溶接金属を適用するための方法が提供される。この方法は、例えば、許容される溶接性を提供するように、溶接アーク安定性ならびに粘度およびビード形状などの溶接プール流れ特性の制御を可能にする溶接装置およびパラメータを用いる。一実施形態において、溶接金属化学、溶接継ぎ手形状、および溶接入熱は、溶接金属の強度および靱性を確実にし、熱影響部（ＨＡＺ）靱性の著しい劣化を防ぐように制御される。
【０１０４】
高Ｍｎ鋼および低炭素鋼を接合するための溶着物を製造する方法は、溶接される高Ｍｇ鋼ベースおよび低炭素鋼ベースならびに溶接用溶加材を提供する工程と；溶接用溶加材を溶融および冷却して、溶着物を生成する工程とを含む。溶接用溶加材は、約０．１重量％〜約０．４重量％の範囲の炭素、約１５重量％〜約２５重量％の範囲のマンガン、約２．０重量％〜約８．０重量％の範囲のクロム、約２．０重量％以下の量のモリブデン、約１０重量％以下の量のニッケル、約０．７０重量％以下の量のケイ素、約１００ｐｐｍ以下の量の硫黄、約２００ｐｐｍ以下の量のリン、および鉄を含む残余を含む。
【０１０５】
特定の実施形態において、溶融は、約２．５ｋＪ／ｍｍ以下の溶接入熱を、溶接用溶加材／溶接消耗品ワイヤ組成物に適用することを含む。
【０１０６】
特定の実施形態において、高Ｍｎ鋼ベースおよび／または炭素鋼ベースメタルは、約２５°を超える開先を有する、溶接される部分を含む。
【０１０７】
本開示の一実施形態は、特定の用途要件のためのＤＭＷ−ＨＭＳ溶接を製造する方法を含む。この方法は、本明細書に開示される有効範囲内の所望のＤＭＷ−ＨＭＳ溶接金属化学を決定することを含む。一実施形態において、この方法は、ベースメタル化学および所望の溶接金属化学を所与として、溶接消耗品ワイヤ化学を決定することを含み、これは、上述されるように希釈率の計算を行うことを含み得る。別の実施形態において、この方法は、溶接消耗品ワイヤを用いてベースメタルを溶接することをさらに含む。特定の実施形態において、溶接は、十分な溶接性および溶接溶融を提供するように、溶接中のアーク安定性および溶接プール流れ特性を制御することを含む。
【実施例】
【０１０８】
ＤＭＷ−ＨＭＳ溶接金属の調査：ＤＭＷ−ＨＭＳ溶接金属の実験室規模の試験を行った。半自動ＧＭＡＷプロセスを、以下のパラメータで行った：約１２０〜１４５ａｍｐの電流；典型的に約２０Ｖ〜約３０Ｖのアーク電圧；直径１．２ｍｍのワイヤについて約２２０〜２５０ｉｐｍのワイヤ送給速度；約４０〜約５０ｃｆｈのシールドガス流量；ルート、フィルおよびキャップパスについて約３〜約８ｉｐｍの走行速度；約１．２ｍｍの溶加ワイヤ直径；および約１８〜５０ｋＪ／インチの入熱。試験溶接の特性（例えば、降伏強度、引張強さなど）が、表１に示される。
【０１０９】
【表１】
2019519675.tif 000003
【０１１０】
溶接金属の極限引張強さおよび−２９℃におけるＣＶＮ衝撃靱性が、表２に示され、ＡＰＩ  Ｘ７０グレードに基づく強度要件を有する侵食耐性ＨＭＳスラリーパイプと低炭素鋼環（ＡＳＭＥ  ＳＡ−５１６グレード７０材料）との間の接合部の溶接要件と比較される。ＤＭＷ−ＨＭＳ溶接金属引張強さは、より低い強度の材料である低炭素鋼環の所定の最小極限引張強さ（ＳＭＵＴＳ）より大きくなければならない。侵食耐性ＨＭＳ材料のＳＭＵＴＳは８２．７ｋｓｉであり、低炭素鋼のＳＭＵＴＳは７０ｋｓｉである。したがって、ＤＭＷ−ＨＭＳ溶接金属は、７０ｋｓｉ（２つのＳＭＵＴＳ値の低い方）を超えていなければならない。ＤＭＷ−ＨＭＳ溶接金属化学の調節が、様々な考えられる侵食耐性ＨＭＳから低炭素鋼の接合部に必要な溶接金属引張特性を達成するために、本明細書に開示される範囲内で行われ得る。表２はまた、製造されたＤＭＷ−ＨＭＳ試験溶接で達成された衝撃靱性（ＣＶＮ）値を示し、スラリーパイプ用途のための溶接衝撃靱性要件と比較される。
【０１１１】
【表２】
2019519675.tif 000004
【０１１２】
現場溶接手順の適格性確認（Ｑｕａｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）。表３は、溶接手順の適格性確認の一環として、製造された炭素鋼−ＨＭＳ溶接についての平均試験結果を示す。適格性確認溶接結果が、所要の値とともに示される。炭素鋼−ＨＭＳ溶接手順は、溶接金属、高Ｍｎ鋼、および低炭素鋼、ならびに十字溶接引張強さについて優れた衝撃靱性値を示した。
【０１１３】
【表３】
2019519675.tif 000005
【０１１４】
上述される実施形態は、侵食耐性ＨＭＳスラリーパイプラインを作製および適用するための全ての要件を満たすＨＭＳから低炭素鋼の溶接を製造することができる。
【０１１５】
溶接シールドガスの組成の適切な制御は、所要の特性を有する確実な炭素鋼ＨＭＳ溶接を製造する上での鍵である。ＤＭＷ−ＨＭＳ溶接金属の粘着性は、シールドガスにおけるＣＯ２の使用によって克服される。シールドガス中のＣＯ２は、溶接プール流動性、アーク安定性、および溶け込み形状を含むビード形状を改善するように働く。これらの特性の全ては、溶接中の溶接欠陥を避けるために重要である。しかしながら、ＣＯ２の使用は、酸素ポテンシャルを増加させ、溶接金属における酸素含量を増加させ得る。溶接金属における酸化物の過剰な形成が、靱性を低下させ得る。したがって、シールドガス中のＣＯ２の量は、１０％〜３０％に制御されるべきである。ＤＭＷ−ＨＭＳ溶接技術の好ましい実施形態は、８０％のＡｒ／２０％のＣＯ２の組成を有するシールドガスを適用する。
【０１１６】
ＤＭＷ−ＨＭＳ溶接の溶接ビード形状は、凝固割れのリスクを最小限に抑えるように適切に制御されるべきである。非常に窪んだビード形状は、これらが凝固割れを起こしやすいため避けられるべきである。ビード形状は、溶接電流、ワイヤ送給速度、および溶接走行速度の適切な制御により制御され得る。
【０１１７】
ＤＭＷ−ＨＭＳ溶接を適用するのにコアードワイヤ消耗品を用いる場合、ＭＣＡＷおよびＦＣＡＷなどのコアードワイヤ溶接プロセスに関連し得る典型的な溶接の問題を避けることが重要である。このような潜在的な問題としては、過剰なスパッタおよび溶接金属ポロシティが挙げられる。上述されるような、シールドガス中のＣＯ２の使用は、スパッタを減少させるであろう。溶接金属ポロシティは、適切なクリーニングの実施によって減少または回避され得る。溶接継ぎ手および消耗品ワイヤは、油および他のデブリがない、乾燥した清浄な状態に保たれるべきである。コアードワイヤ消耗品は、ソリッドワイヤ消耗品より、不適切に貯蔵された場合に水分を集める傾向が高いため、適切な消耗品ワイヤの貯蔵の実施（温度および湿度）を後で行うべきである。
【０１１８】
溶接プロセスパラメータは、スラリーパイプ用途のための好適な微細構造および特性を有する確実なＤＭＳ−ＨＭＳ溶接をもたらす溶接入熱を生成するように制御され得る。溶接入熱は、パイプライン溶接の実用的な生産性で一貫した溶融を可能にするのに十分に高くすべきである。しかしながら、それは、要件を満たす溶接を確実にするために最大で約２．５ｋＪ／ｍｍ未満に制御されるべきである。溶接パラメータ（電流、電圧、および走行速度）は、溶接入熱値を確実に超えないように調整され得る。最大値を超える過剰な入熱は、凝固割れ、低下した溶接金属靱性、および低下したベースメタルＨＡＺ靱性を含む、いくつかの潜在的な問題をもたらし得る。
【０１１９】
溶接入熱は、凝固割れする傾向があり得る高い深さ対幅比を有する大きい溶接ビードを製造するのを避けるために、最大値未満に制御され得る。これらの高い深さ対幅比は、溶接金属における偏析を増加させ、溶接継ぎ手における横方向歪みを増加させ、したがって、凝固割れの可能性を増加させ得る。
【０１２０】
さらに、溶接入熱制御は、ＨＭＳベースメタルＨＡＺおよび低炭素鋼ベースメタルＨＡＺにおいて所要の靱性を維持する上での鍵である。ＨＭＳベースメタルＨＡＺでは、高過ぎる入熱が、ＨＭＳベースメタルＨＡＺにおいて結晶粒粒界における過剰な炭化物析出をもたらすことが理解される。これは、低下した靱性を有する局所的領域をもたらし得る。最大値未満に制御された溶接入熱は、ＨＡＺ結晶粒粒界において減少した量の炭化物析出物を生じる熱サイクルおよび冷却速度をもたらす。これにより、破壊靱性および亀裂に対する耐性が改善される。したがって、適切な入熱制御が、所要の靱性がＤＭＷ−ＨＭＳ溶接金属およびＨＭＳベースメタルＨＡＺの両方において確実に満たされるのに必要とされる。入熱の制御はまた、低炭素鋼ベースメタルＨＡＺにおいて低靱性微細構造（マルテンサイトなど）の形成を減少させる。
【０１２１】
上述される溶接金属化学、溶接プロセス、および溶接の実施の適切な適用は、ＨＭＳスラリーパイプラインを建設するのに必要とされる微細構造および機械的特性を有する好適なＤＭＷ−ＨＭＳ溶接を製造するであろう。新規なＤＭＷ−ＨＭＳ溶接金属は、１Ｇ、２Ｇ、３Ｇ、４Ｇ、および５Ｇ溶接位置の両方において最近のパイプライン溶接装置を用いて、実用的な生産性で適用され得る。
【０１２２】
特定の実施形態：
一態様によれば、本開示は、高マンガン鋼ベースメタル（又はハイマンガンスチールベースメタル（high manganese steel base metal））を低炭素鋼ベースメタル（又はローカーボンスチールベースメタル（low carbon steel base metals））に接合（又はジョイント）する（joining）ための溶接組成物（又はウェルディング組成物又はウェルディングコンポジション（welding composition））を提供し、当該組成物は、
０．１重量％〜０．４重量％の範囲の炭素、
１５重量％〜２５重量％の範囲のマンガン、
２．０重量％〜８．０重量％の範囲のクロム、
２．０重量％以下の量のモリブデン、
１０重量％以下の量のニッケル、
０．７重量％以下の量のケイ素、
１００ｐｐｍ以下の量の硫黄、
２００ｐｐｍ以下の量のリン、および
鉄を含む残余（又は残余物又はバランス（balance））
を含み、
溶接物（又はウェルドメント（weldment））は、オーステナイト微細構造（又はオーステナイトミクロストラクチャー（austenitic microstructure））を含む。
【０１２３】
本明細書中に記載される任意の態様または実施形態において、溶接組成物は、０．７重量％以下の量のチタンをさらに含む。
【０１２４】
本明細書に記載される任意の態様または実施形態において、
炭素は、０．１〜０．３重量％であり、
マンガンは、１８．０〜２２．０重量％であり、
クロムは、３．５〜６．５重量％であり、
モリブデンは、１．５重量％未満の量であり、
ニッケルは、５．５〜８．５重量％であり、
ケイ素は、０．４〜０．８重量％であり、
硫黄は、１５０ｐｐｍ未満の量であり、そして／または
好ましい範囲である０．１５〜０．４５重量％のチタン
を含む。
【０１２５】
本明細書中に記載される任意の態様または実施形態において、溶接用溶加材（又は溶接用充填金属又はウェルディングフィラーメタル（welding filler metal））は、オーステナイト微細構造を有する。
【０１２６】
本明細書中に記載される任意の態様または実施形態において、オーステナイト微細構造は、硬質α’−マルテンサイト（又はハードα’−マルテンサイト（hard α'-martensite））に変態（又はトランスフォーム（transform））し、歪み（又はストレイン）を加えると（straining）、微細双晶化（又はミクロ双晶化（microtwinning））を起こす。
【０１２７】
別の態様によれば、本開示は、高マンガン鋼（又はハイマンガンスチール）および低炭素鋼（又はローカーボンスチール）を接合（又はジョイント）するための溶接（又はウェルド）を提供するためのシステムを提供し、当該システムは、消耗品ワイヤ電極（又は消費ワイヤ電極（consumable wire electrode））と、ガスメタルアーク溶接（gas metal are welding）を行うガスメタルアーク溶接電源（又はガスメタルアークウェルディング電源（gas metal arc welding power source））とを含み、
上記消耗品ワイヤ電極は、
０．１重量％〜０．４重量％の範囲の炭素、
１５重量％〜２５重量％の範囲のマンガン、
２．０重量％〜８．０重量％の範囲のクロム、
２．０重量％以下の量のモリブデン、
１０重量％以下の量のニッケル、
０．７重量％以下の量のケイ素、
２００ｐｐｍ以下の量の硫黄、
２００ｐｐｍ以下の量のリン、および
鉄を含む残余（又は残余物又はバランス（balance））
を含む溶接物（又はウェルドメント（weldment））
を生成し、
上記ガスメタルアーク溶接電源は、２．５ｋＪ／ｍｍ以下の溶接入熱（又はウェルディングヒートインプット（welding heat input））を生成する。
【０１２８】
本明細書中に記載される任意の態様または実施形態において、溶接物（又はウェルドメント）は、
炭素が、０．１〜０．３重量％であり、
マンガンが、１８．０〜２２．０重量％であり、
クロムが、３．５〜６．５重量％であり、
モリブデンが、１．５重量％未満の量であり、
ニッケルが、５．５〜８．５重量％であり、
ケイ素が、０．４〜０．８重量％であり、
硫黄が、１５０ｐｐｍ未満の量であり、そして／または
好ましい範囲である０．１５〜０．４５重量％のチタン
を含む。
【０１２９】
本明細書中に記載される任意の態様または実施形態において、溶接入熱（又はウェルディングヒートインプット）は、０．６〜１．０ｋＪ／ｍｍの範囲内である。
【０１３０】
さらなる態様によれば、本開示は、侵食／腐食耐性高Ｍｎ鋼（又はエロージョン／コロージョン耐性ハイＭｎスチール（erosion/corrosion resistant high Mn steel））の溶着物（又はウェルドデポジット（weld deposit））を製造する方法を提供し、当該方法は、
溶接される高Ｍｎ鋼ベース（又はハイＭｎスチールベース（high Mn steel base））および（溶接される）低炭素鋼ベース（又はローカーボンスチールベース（low carbon steel base））と、溶接用溶加材（又は溶接用充填金属又はウェルディングフィラーメタル（welding filler metal））とを提供すること（又は工程又はステップ）と、
上記溶接用溶加材（又はウェルディングフィラーマテリアル（welding filler material））を溶融（又はメルティング（melting））および冷却（又はクーリング（cooling））して、溶着物（又はウェルドデポジット（weld deposit））を生成すること（又は工程又はステップ）と
を含み、
上記溶接用溶加材（welding filler metal）は、
０．１重量％〜０．４重量％の範囲の炭素、
１５重量％〜２５重量％の範囲のマンガン、
２．０重量％〜８．０重量％の範囲のクロム、
２．０重量％以下の量のモリブデン、
１０重量％以下の量のニッケル、
０．７重量％以下の量のケイ素、
１００ｐｐｍ以下の量の硫黄、
１００ｐｐｍ以下の量のリン、および
鉄を含む残余（又は残余物又はバランス（balance））
を含む。
【０１３１】
本明細書中に記載される任意の態様または実施形態において、溶融（又はメルティング）は、２．５ｋＪ／ｍｍ以下の溶接入熱（又はウェルディングヒートインプット）を、溶接用溶加材（welding filler metal）に提供することを含む。
【０１３２】
本明細書中に記載される任意の態様または実施形態において、少なくとも２つの鋼ベースメタル（又はスチールベースメタル（steel base metals））は、溶接される部分を含み、この部分は、２５°を超える開先（又はベベル（bevels））を含み、少なくとも２つの金属は、少なくとも１つの高Ｍｎ鋼と、少なくとも１つの低炭素鋼とを含む。
【０１３３】
本明細書中に記載される任意の態様または実施形態において、溶着物（又はウェルドデポジション（weld deposition））は、溶接したままの状態（as-welded condition）で、低炭素鋼ベースメタル（又はローカーボンスチールベースメタル）および／または高Ｍｎ鋼ベースメタル（又はハイＭｎスチールベースメタル）の降伏強度（yield strength）を超える降伏強度を有する。
【０１３４】
本明細書中に記載される任意の態様または実施形態において、
溶着物（又はウェルドデポジット（weld deposit））は、溶接したままの状態で、６０ｋｓｉを超える降伏強度を有し、そして／または、
溶着物は、溶接したままの状態で、７０ｋｓｉを超える極限引張強さを有する。
【０１３５】
本明細書中に記載される任意の態様または実施形態において、
溶着物は、溶接したままの状態で、−２９℃で２７Ｊを超えるＣＶＮを有し、そして／または
ベースメタルの熱影響部（又は熱影響ゾーン（heat affected zone））は、溶接後、−２９℃で２７Ｊを超えるＣＶＮを有する。
【０１３６】
本明細書中に記載される任意の態様または実施形態において、高Ｍｎベースメタルは、侵食／腐食耐性高Ｍｎ鋼（又はエロージョン／コロージョン耐性ハイＭｎスチール（erosion/corrosion resistant high Mn steel））である。
【０１３７】
本開示は、主に、油、ガスおよび／または石油化学工業／システム／用途のための部品に使用するための鋼組成物に関して説明されているが、このような説明は、本開示の目的のために用いられているに過ぎず、本開示を限定することは意図されていない。それとは反対に、開示される鋼組成物は、広範囲の用途、システム、操作および／または工業に使用することが可能であることが認識されるべきである。
【０１３８】
本開示のシステムおよび方法が、その例示的な実施形態を参照して説明されているが、本開示は、このような例示的な実施形態および／または実施に限定されない。むしろ、本明細書における本開示から当業者に容易に明らかであろうが、本開示のシステムおよび方法は、多くの実施および応用を受け入れることができる。本開示は、開示される実施形態のこのような変更、強化および／または変形を明示的に包含する。本開示の範囲から逸脱せずに、上記の構成に多くの変更を加えることができ、本開示の多くの広く異なる実施形態を行うことが可能であるため、図面および本明細書に含まれる全ての事柄は、例示的なものであると解釈されるべきであり、限定的な意味で解釈されるべきではないことが意図される。さらなる変更、変形、および置き換えが、上記の開示において意図される。したがって、添付の特許請求の範囲は、広くかつ本開示の範囲と整合するように解釈されるべきであることが理解される。
【図１Ａ】
2019519675.tif 000006
【図１Ｂ】
2019519675.tif 000007
【図１Ｃ】
2019519675.tif 000008
【図２】
2019519675.tif 000009
【図３】
2019519675.tif 000010
【国際調査報告】
2019519675.tif 000011
2019519675.tif 000012